JP2006237027A

JP2006237027A - 基板保持装置

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Publication number: JP2006237027A
Application number: JP2005044996A
Authority: JP
Inventors: Junichi Tatemichi; 潤一立道; Yutaka Inai; 裕井内
Original assignee: Nissin Ion Equipment Co Ltd
Current assignee: Nissin Ion Equipment Co Ltd
Priority date: 2005-02-22
Filing date: 2005-02-22
Publication date: 2006-09-07
Anticipated expiration: 2025-02-22
Also published as: JP4301181B2

Abstract

【課題】基板の温度上昇をより効果的に抑制可能な基板保持装置を提供する。
【解決手段】この基板保持装置１０ａは、基板５０を保持する基板保持板７０と、基板保持板７０との間で基板５０の周縁部７６を挟持するクランパー１４とを備えている。基基板保持板７０は、櫛状の形状であってかつ周縁部７６よりも内側に開口部７４が形成されている。この基板保持板７０に代えて、枠状又は格子状であって周縁部よりも内側に空間部が形成されている基板保持板を備えていても良い。
【選択図】図１

Description

この発明は、例えば質量分離型のイオン注入装置、非質量分離型のイオン注入装置、イオンエッチング装置等のように、真空中またはそれに近い雰囲気中で例えば透明又は半透明の基板にイオンビーム等のエネルギーを有する粒子を照射する場合に用いられる基板保持装置に関し、とくに当該基板保持装置に保持された基板の温度上昇を抑制する手段に関する。

この種の従来の基板保持装置の一例を示す正面図を図５に、図５に図示される基板保持装置のＡ−Ａ線断面図を図６に示す。なお、これとほぼ同様の構造をした基板保持装置が特許文献１の図１に記載されている。

図５及び図６において、この基板保持装置１０は移動装置３０によって支持されている。また、基板保持装置１０及び移動装置３０に隣接する位置には昇降装置４０が配置されている。以下、これらの各装置についての構成について説明する。

図５において、基板保持装置１０は、基板５０を保持するための基板保持板１２と、基板５０の周縁部の一部又は全部を基板５０が破損しない程度の力で基板保持板１２に向けて押さえ付けるクランパー１４とを備えている。

基板保持板１２は、鉄、ステンレス鋼及びアルミニウム等に代表される金属製の長方形の板状部材である。また、基板保持板１２には、後述する昇降装置４０のピン４４が貫通可能なピン貫通孔１８が例えば４個形成されていると共に、基板保持板１２の一つの辺に沿って軸貫通孔１６が形成されている。

クランパー１４は基板保持板１２に対して開閉可能となっており、基板５０は基板保持板１２とクランパー１４とによって挟持されて保持される。

移動装置３０は、図示しない駆動装置によってＸ方向（例えば水平方向）に移動可能に構成されていると共に、回転軸３２と、保持板受台３４とを備えている。

回転軸３２は、基板保持板１２に形成された軸貫通孔１６に嵌入されていると共に、両端部が移動装置３０に設けられた図示しない軸受によって支持されている。また、回転軸３２の一方の端部には、回転軸３２を中心として基板保持板１２を回動させるための図示しないモータが連結されている。基板保持装置１０は、図６中の矢印Ｄに示すように、このモータによって略水平状態と略垂直状態とに切換えられる。

なお、図６の基板保持装置１０が略水平状態にある場合においては、クランパー１４の図示が省略されている。

図６において、昇降装置４０は、ベース４２と、ベース４２から立設する例えば４本のピン４４と、ベース４２に取り付けられて前記Ｘ方向と直交するＹ方向（例えば垂直方向）に伸縮可能なシリンダー４６とを備えている。また、移動装置３０は、基板保持装置１０が略水平状態にある場合（即ち、基板保持板１２が略水平状態にある場合）において、４本のピン４４が、基板保持板１２に形成されたピン貫通孔１８を貫通する位置に配置されている。

基板保持装置１０が略水平状態となってクランパー１４が基板保持板１２に対して開放されると、基板保持板１２への基板５０の保持が解除される。そして、シリンダー４６が上昇するとベース４２から立設したピン４４によって基板５０が持ち上げられて（図６の二点鎖線参照）、基板５０と基板保持板１２との間に間隙５２が形成される。これによって、基板５０は、図示しない搬送装置によって搬送され得る状態になる。

次に、基板５０に対して行われるイオン注入処理の概略について、図６を参照しつつ説明する。

ガラス基板等のように透明又は半透明の基板５０に対してイオン注入処理が行われる場合、基板５０の表面へのパーティクルの付着を可能な限り小さくするために、基板５０が保持された基板保持板１２を略垂直状態にして処理が行なわれることが多い。これにより、基板５０が略垂直に保持されることとなる。

イオンビーム６０は、前記Ｘ方向に短くかつＹ方向に長い帯状のビームであって（図５も参照）、略垂直状態にされた基板５０に対して照射される。このとき、イオンビーム６０のＹ方向の長さは、基板５０のＹ方向の長さよりも若干大きい。

基板５０に対してイオンビーム６０が照射されているとき、基板保持板１２を支持する保持板受台３４はＸ方向に往復移動（スキャン）させられる。このとき、保持板受台３４が移動するＸ方向の長さは、基板５０のＸ方向の長さよりも若干大きい。このようにして、基板５０の全面に亘ってイオンビーム６０が照射され、イオン注入処理が行われる。

基板５０に対してイオン注入処理が行われると、イオンビーム６０の運動エネルギーによって基板５０の温度が上昇する。そこで、基板５０の温度上昇を抑制することを目的として、基板保持板１２の内部には冷却水が流れるための冷却水路２０が形成されている場合が多い（図６参照）。さらに、冷却水によって冷却されている基板保持板１２に対する基板５０の接触面積を多くするために、基板５０が保持される基板保持面１２ａ（図６参照）には研磨加工が施されている。なお、冷却水路２０には、冷却水に代えて他の冷媒（例えばヘリウムガス）が流される場合もある。

特開平１０−１０２２４９号公報（図１）

しかしながら、近年、透明又は半透明の基板５０に対して、より大電流のイオンビーム６０を照射することによって処理速度を高めることが要求されている。この場合には、基板保持板１２の内部に冷却水路２０が形成され、さらに基板保持面１２ａに研磨加工が施されていたとしても、基板５０の温度上昇が過大になるという課題がある。

また、上述のとおり、基板保持面１２ａには研磨加工が施されているものの、基板保持面１２ａと透明又は半透明の基板５０との接触面積が大きくなければ、基板保持板１２による冷却効果よりも基板保持板１２からの反射熱による温度上昇効果の方が大きくなってしまう。しかも、基板保持面１２ａが研磨加工されていれば、基板保持板１２からの反射熱は顕著である。

ところが、基板保持面１２ａの加工精度上の問題又は基板保持面１２ａと接触する基板５０の面の状態が個々に異なること等から、基板保持板面１２ａと基板５０とを完全に接触させることは困難であると言える。

従って、とくに従来よりも大電流のイオンビーム６０を基板５０に照射する場合には、基板５０が受ける基板保持板１２からの反射熱が大きいため、基板５０や、その表面に形成されている場合があるレジスト膜の耐熱温度を超えて温度が上昇してしまう可能性が大きい。その結果、イオンビーム６０のビーム電流との関係で、使用可能な基板や、その表面に形成されている場合があるレジスト膜の材質に制約を受けていた。

そこで、この発明は、基板の温度上昇をより効果的に抑制可能な基板保持装置を提供することを主たる目的としている。

この発明において、以下の特徴は単独で、若しくは、適宜組合わされて備えられている。前記課題を解決するためのこの発明に係る基板保持装置は、基板を保持する基板保持板と、基板の周縁部を前記基板保持板に向けて押さえ付けるクランパーとを備える基板保持装置であって、前記基板保持板は、櫛状、枠状及び格子状のうちいずれかの形状であってかつ周縁部よりも内側に空間部が形成されていることを特徴とする。

上記構成によれば、基板は、基板保持板に保持された場合において、基板保持板と対向する対向領域と基板保持板と対向しない非対向領域とを有する。基板は、対向領域において基板保持板に保持され、非対向領域において放熱される。

基板が保持される前記基板保持板の基板保持面は、その放射率を０．５〜１．０（上下限値を含む）としても良い。そのようにすると、基板は、対向領域において、放射率が０．５〜１．０の基板保持板と対向する。

請求項１に記載の発明によれば、基板は、非対向領域において、基板が有する熱が放熱されると共に基板保持板から受ける反射熱も低減される。従って、基板に対して従来よりも大電流のイオンビームが照射された場合であっても、基板の温度上昇が効果的に抑制される。その結果、大電流のイオンビームを照射する場合でも、使用可能な基板や、レジスト膜の材質の制約が緩和されるので、耐熱温度が比較的低い基板（例えばレジスト基板）に対してもイオン注入を行うことが可能となる。しかも、基板保持板の内部に冷却水を流さなくても良くなるので、構造・設備の簡素化及びコストの低減を図ることも可能となる。

請求項２に記載の発明によれば、基板は、対向領域において、放射率が０．５〜１．０の基板保持板と対向するので、基板保持板から受ける反射熱をより一層低減して、基板の温度上昇をより小さく抑えることが可能となる。また、基板は、対向領域と非対向領域との間における温度差が小さくなるので、基板に対して作用する熱応力が小さくなるという更なる効果を奏する。

図１は、この発明に係る基板保持装置の一例を示す正面図である。図２は、図１に図示される基板保持装置のＢ−Ｂ線断面図である。なお、図５および図６に示した従来例と同一または相当する部分には同一符号を付し、以下においては当該従来例との相違点を主に説明する。

図１において、この基板保持装置１０ａは、従来例における基板保持板１２に代わる基板保持板７０を備えている。基板保持板７０は、鉄、ステンレス鋼及びアルミニウム等に代表される金属製またはカーボン製等の板状部材で構成されている。

基板保持板７０は、基部７１から伸びた３本の櫛歯７２が並んだ櫛状（櫛歯状ともいう）の形状をしており、３本の櫛歯７２と、各櫛歯７２の間に形成された２個の開口部７４とを有している。開口部７４は、基板保持板７０の基部７１とは反対側の周縁部７６から内側に向けて形成されている。

なお、「周縁部」とは、基板保持板７０の外周の辺に沿った縁部を意味し、外周縁部と同義である。

この基板保持板７０に基板５０が保持されると、基板５０は、基板保持板７０と対向する対向領域５０ａと基板保持板７０と対向しない非対向領域５０ｂとを有する。

基板保持板７０に保持された基板５０に対して前記イオンビーム６０が照射されたとき、非対向領域５０ｂにおいて、基板５０が有する熱が放熱される。また、非対向領域５０ｂにおいて、基板５０は基板保持板７０と対向していないので、基板保持板７０から受ける反射熱はかなり小さい。

さらに、基板保持装置１０ａを構成する基板保持板７０は、この実施形態では、基板５０が保持される基板保持面７０ａの放射率を、０．５〜１．０（上下限値を含む）の範囲内の値にしている。

この基板保持装置１０ａは、従来例の基板保持装置１０ａと同様、図２中の矢印Ｄに示すように、図示しないモータによって略水平状態と略垂直状態とに切換えられる。ただし、基板保持板７０には従来例のようなピン貫通孔１８が形成されていないので、昇降装置４０を構成するピン４４は、配置位置の制約を受けることはない。

ここで、放射率が０．５〜１．０の範囲内の材質及びその表面状態の例を表１に示す。この表１に示すものを基板保持板７０として使用することができる。

次に、放射率εと反射率ρとの関係について、図３を参照しつつ説明する。図３は、基板５０に対して入射した熱の収支を示す概略図である。

図３において、基板５０に入射した熱は、基板５０に吸収される熱と、基板５０から反射される熱と、基板５０を透過する熱とに分けられる。このとき、吸収率ａ、反射率ρ及び透過率τは、数１に示される関係を有する。

［数１］
ａ＋ρ＋τ＝１

ただし、工業材料の場合、透過率τを無視し得るので、吸収率ａ及び反射率ρは、数２に示される関係を有する。

［数２］
ａ＋ρ＝１

ここで、放射率εと吸収率ａとの間には、熱放射に対するキルヒホッフの法則により、数３の関係が成立する。

［数３］
ε＝ａ

よって、数２及び数３より、反射率ρと放射率εとの間には、数４の関係が成立する。

［数４］
ε＋ρ＝１

数４より、基板保持板７０の基板５０が保持される基板保持面７０ａの放射率が高くなると、基板５０が基板保持板７０から受ける反射熱は小さくなることが分かる。従って、放射率εは、０．５〜１．０の範囲内でも高い方がより好ましい。

次に、基板保持板７０に保持された基板５０に対して従来よりも大電流のイオンビーム６０でイオン注入処理が行われた場合、基板５０の温度抑制にどの程度の効果が認められるかを確認するための実験を行ったので、その結果を以下に説明する。

実験は、基板５０を保持する基板保持板が、従来の基板保持板１２である場合とこの発明に係る基板保持板７０である場合とで基板５０の温度上昇にどの程度の差が生じるか対比して行われた。

また、実験条件は表２に示されるとおりとした。

なお、この発明に係る基板保持板７０の材質をアルミニウムとし、基板５０が保持される面の表面状態を酸化面研磨面とした。このとき、基板５０が保持される基板保持面７０ａの放射率は０．７６である。

また、従来例の基板保持装置１０を構成する基板保持板１２はアルミニウムの研磨面が用いられることが多かったため、これを採用した。このとき、基板保持面１２ａの放射率εは０．０３〜０．１である。

表２に示される条件においてイオン注入処理中の基板５０の温度を測定したところ、表３に示される結果が得られた。

表３によれば、従来の基板保持板１２の場合、イオン注入処理中における基板５０の温度は約１６５℃まで上昇した。

一方、この発明にかかる基板保持板７０の場合、イオン注入処理中における基板５０の温度Ｔは、対向領域５０ａ及び非対向領域５０ｂのいずれにおいても１２６〜１３２〔℃〕の範囲内であった。

以上の実験結果によれば、この発明に係る基板保持装置１０ａを構成する基板保持板７０に基板５０が保持されてイオン注入処理が行われたとき、基板５０は、基板保持板７０の開口部７４と相対する部位、即ち非対向領域５０ｂにおいて基板５０の温度上昇を従来例よりも低く抑制できることが確認できた。

このような実験結果が得られたのは、非対向領域５０ｂにおける放熱効果によるものであると思われる。また、非対向領域５０ｂにおいては基板５０が基板保持板７０と対向していないので、基板保持板７０から受ける反射熱も小さいものであると考えられる。

さらに、この発明に係る基板保持装置１０ａを構成する基板保持板７０に基板５０が保持されてイオン注入処理が行われた場合、基板５０は、基板保持板７０の櫛歯７２と相対（対向）する部位、即ち対向領域５０ａにおいても基板５０の温度上昇を従来例よりも低く抑制できることが確認できた。これは、基板５０と対向する基板保持板７０の基板保持面７０ａの放射率を高くすることによって、基板保持板７０から受ける反射熱の低減を図ることができたためであると思われる。

以上の実験結果より、基板５０から基板保持板７０への伝熱量Ｑ１は基板５０から基板保持板１２への伝熱量Ｑ２と比して減少するものの、基板５０が基板保持板７０から受ける反射熱Ｑ３が基板５０が基板保持板１２から受ける反射熱Ｑ４と比して大きく減少するということがいえる。即ち、本発明に係る基板保持板７０を用いた場合は、基板保持板から基板５０への反射熱の減少量（Ｑ２−Ｑ１）は、基板５０から基板保持板への伝熱量の減少量（Ｑ４−Ｑ３）を大きく上回っているといえる。

このように、基板保持板の形状を櫛状とし、基板保持板７０の基部７１とは反対側の周縁部７６から内側に向けて開口部７４が形成されることによって、非対向領域５０ｂにおいて基板５０が有する熱が放熱されると共に基板保持板７０から受ける反射熱も低減される。従って、基板５０に対して従来よりも大電流のイオンビーム６０が照射された場合であっても、基板５０の温度上昇が効果的に抑制される。その結果、大電流のイオンビーム６０を照射する場合でも、使用可能な基板５０やレジスト膜の材質の制約が緩和されるので、耐熱温度が比較的低い基板（例えばレジスト基板）に対してもイオンの注入を行うことが可能となる。しかも、基板保持板７０の内部に冷却水を流さなくても良くなるので、構造・設備の簡素化及びコストの低減を図ることも可能となる。

また、基板５０は、対向領域５０ａにおいて、放射率が比較的高い基板保持板７０と対向するので、基板保持板７０から受ける反射熱をより一層低減して、基板５０の温度上昇をより小さく抑えることが可能となる。また、基板５０は、対向領域５０ａと非対向領域５０ｂとの間における温度分布の凹凸（即ち、対向領域５０ａと非対向領域５０ｂとの間における温度差）が小さくなるので、基板５０に対して作用する熱応力が小さくなる。

また、従来例の基板保持装置１０を構成する基板保持板１２であれば、昇降装置４０の配置位置が制約されていたが、この発明の基板保持装置１０ａを構成する基板保持板７０であれば、そのような制約がないという更なる効果をも奏する。即ち、従来は、基板保持装置１０が略水平状態となったとき、昇降装置４０のピン４４が基板保持板１２に形成された小さなピン貫通孔１８を貫通するように基板保持装置１０が配置される必要があった。ところが、この発明によれば、基板保持板７０が大きな開口部７４を有するので小さなピン貫通孔１８を設ける必要がなく、そのような制約がなくなるのである。

さらに、基板保持板を櫛状とすることによって昇降装置４０を配置する必要もなくなる。即ち、櫛状の基板保持板７０は基部７１とは反対側の周縁部７１から内側に向けて開口部７４が形成されているため、基板５０を搬送する搬送アームがこの開口部７４において基板５０を持ち上げて基板５０を搬送することが可能となる。従って、基板５０と基板保持面７０との間に間隙５２（図５参照）を設ける必要性がなくなり、昇降装置４０を配置する必要がなくなるのである。これは、基板保持板を櫛状とすることによる特有の効果である。

次に、この発明に係る基板保持装置を構成する基板保持板の例について、図４（ａ）〜（ｄ）を参照しつつ説明する。図４（ａ）〜（ｄ）は、それぞれ、この発明に係る基板保持装置を構成する基板保持板の他の例を示す概略図である。

図４（ａ）に図示される基板保持板８０は、４本の櫛歯８２と、各櫛歯８２の間に形成される３個の開口部８４とを有する櫛状の形状をしている（即ち、基部８１から伸びた４本の櫛歯８２が並んでいる）。開口部８４は、基板保持板８０の基部８１とは反対側の周縁部８６から内側に向けて形成されている。この基板保持板８０に基板５０が保持された場合であっても、基板５０は対向領域５０ａと非対向領域５０ｂとを有することとなり、図１に図示される基板保持板７０と同様の効果を奏する。なお、基部８１及び櫛歯８２と対向する基板５０の領域が対向領域５０ａとなり、開口部８４と対向する基板５０の領域が非対向領域５０ｂとなる。

図４（ｂ）に図示される基板保持板９０は、周縁部９２よりも内側に中空部９４が形成された枠状の形状をしている。この基板保持板９０に基板５０が保持された場合であっても、基板５０は対向領域５０ａと非対向領域５０ｂとを有することとなり、基板保持板を櫛状とすることによる特有の効果を除き、図１に図示される基板保持板７０と同様の効果を奏する。なお、中空部９４が形成されていない基板保持板９０の部位と対向する基板５０の領域が対向領域５０ａとなり、中空部９４と対向する基板５０の領域が非対向領域５０ｂとなる

図４（ｃ）に図示される基板保持板１００は、周縁部１０２よりも内側に２個の中空部１０４が形成された格子状の形状をしている。この基板保持板１００に基板５０が保持された場合であっても、基板５０は対向領域５０ａと非対向領域５０ｂとを有することとなり、基板保持板を櫛状とすることによる特有の効果を除き、図１に図示される基板保持板７０と同様の効果を奏する。なお、中空部１０４が形成されていない基板保持板１００の部位と対向する基板５０の領域が対向領域５０ａとなり、中空部１０４と対向する基板５０の領域が非対向領域５０ｂとなる。

ここで、基板保持板１００に基板５０が保持された場合において、基板５０が対向領域５０ａと非対向領域５０ｂとを有するのであれば、中空部１０４の数は２個に限られるものではない。従って、例えば、基板保持板１００の周縁部１０２よりも内側が十字状に仕切られた基板保持板であっても良い。このとき、中空部は４個形成されることとなる。

図４（ｄ）に図示される基板保持板１１０は、周縁部１１２よりも内側に２個の中空部１１４と２個の開口部１１６とが形成された格子状の形状をしている。この基板保持板１１０に基板５０が保持された場合であっても、基板５０は対向領域５０ａと非対向領域５０ｂとを有することとなり、基板保持板を櫛状とすることによる特有の効果を除き、図１に図示される基板保持板７０と同様の効果を奏する。なお、中空部１１４及び開口部１１６のいずれも形成されていない基板保持板１１０の部位と対向する基板５０の領域が対向領域５０ａとなり、中空部１１４又は開口部１１６と対向する基板５０の領域が対向領域５０ｂとなる。

なお、本明細書において、基板保持板の周縁部よりも内側に形成された空間部であって基板保持板の外側と繋がっている部位を「開口部」と称し、基板保持板の周縁部よりも内側に形成された空間部であって基板保持板の外側と繋がっていない閉じられた部位を「中空部」と称しているが、いずれも「周縁部よりも内側に形成された空間部」であることに変わりはない。

また、図４（ａ）〜（ｄ）に図示される基板保持板８０、９０、１００、１１０においても、前記と同様の理由から、基板５０が保持される基板保持面の放射率を前記０．５〜１．０（上下限値含む）の範囲内にすることが好ましい。

また、図１及び図４（ａ）に図示される櫛状の基板保持板において、基部７１、８１から伸びる櫛歯７２、８２の数は、それぞれ、３本及び４本としているが、その数はこれらに限られるものではない。

また、上述の実施形態において、基板保持板７０の内部には冷却水路が形成されていないが、イオン注入処理中における基板５０の温度上昇をさらに抑制できるという観点から、基板保持板の内部に冷却水路が形成されていても良い。なお、図４（ａ）〜（ｄ）に図示される基板保持板８０、９０、１００、１１０についても、内部に冷却水路が形成されていても良い。

この発明に係る基板保持装置の一例を示す正面図である。図１に図示される基板保持装置のＢ−Ｂ線断面図である。基板に対して入射した熱の収支を示す概略図である。この発明に係る基板保持装置を構成する基板保持板の他の例であって、（ａ）は４本の歯を有する櫛状の基板保持板の概略図、（ｂ）は枠状の基板保持板の概略図、（ｃ）及び（ｄ）は格子状の基板保持板の概略図である。従来の基板保持装置の一例を示す正面図である。図５に図示される基板保持装置のＡ−Ａ線断面図である。

符号の説明

１０ａ基板保持装置
１４クランパー
５０基板
７０基板保持板
７０ａ基板保持面
７２櫛歯
７４開口部（空間部）
７６周縁部
８０基板保持板
８２櫛歯
８４開口部（空間部）
９０基板保持板
９２周縁部
９４中空部（空間部）
１００基板保持板
１０２周縁部
１０４中空部（空間部）
１１０基板保持板
１１２周縁部
１１４中空部（空間部）
１１６開口部（空間部）

Claims

基板を保持する基板保持板と、前記基板保持板との間で基板の周縁部を挟持するクランパーとを備える基板保持装置であって、
前記基板保持板は、櫛状、枠状及び格子状のうちいずれかの形状であってかつ周縁部よりも内側に空間部が形成されていることを特徴とする基板保持装置。
基板が保持される前記基板保持板の基板保持面は、放射率が０．５〜１．０（上下限値を含む）であることを特徴とする請求項１に記載の基板保持装置。